автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Технология интеграции моделей системной динамики и ГИС

Российская академия наук Институт системного анализа

На правах рукописи

ФЕДОРОВ Андрей Михайлович

ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЦИИ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМНОЙ ДИНАМИКИ И ГИС

Специальность 05.13.18 - " Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2004

Работа выполнена в Институте информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН (г. Апатиты)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Путилов Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Черешкин Дмитрий Семенович, кандидат физико-математических наук, доцент Шебеко Юрий Александрович

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН

Защита состоится _ 2005 г.

в II часов на заседании диссертационного совета Д.002.086.02

при Институте системного анализа Российской академии наук по адресу: 117312, г. Москва,

пр-т 60-летия Октября, 9.

С диссертацией можно ознакомиться библиотеке Института системного анализа РАН

Автореферат разослан "_"_2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета: доктор технических наук, профессор

Пропой Анатолий Иванович

Общая характеристика работы Актуальность работы

связана с возрастанием требований к прогнозированию и анализу результатов реализации принимаемых решений в области управления природно-промышленными системами (ППС). Функционирование и развитие ППС приводит к изменению как глобальной так и локальной экологической обстановки и определяет уровень безопасности эксплуатации подобных систем.

Под природно-промышленной системой понимается функциональная единица техносферы1, представляющая собой комплекс хозяйственных и промышленных объектов (промышленная среда), находящийся во взаимосвязи с окружающей природной средой. В этой системе имеет место обмен веществом, энергией и информацией, взаимное влияние и воздействие элементов. Компонентом, определяющим структуру ППС, как правило, является промышленный объект.

Основным методом изучения и прогнозирования поведения ППС служит моделирование. Рассматриваемые системы можно характеризовать как сложные пространственно-распределенные динамические системы с множественными внутренними и внешними связями - информационными и материальными потоками между объектами. Связанные природные и промышленные объекты могут представлять собой многоуровневую систему подобъ-ектов, имеющих свои собственные атрибуты, реагирующие на входные и генерирующие выходные сигналы. Специфика ППС состоит в том, что в отличие от промышленных объектов, структура и поведение природных объектов непосредственно не зависят от управленческих воздействий лиц, принимающих решения. В связи с этим, цель моделирования состоит во всестороннем анализе и достоверном прогнозе последствий принятия решений в отношении промышленных объектов с учетом приемлемого состояния природных объектов.

Исходя из описанных свойств и специфики ППС, наиболее подходящими для ее моделирования являются методы системной динамики. Системно-динамические модели (СДМ) широко используются в исследовательских и управленческих задачах. Применение таких методов в силу их естественности для человеческого образа мышления не требует от пользователя значительных затрат на дополнительную подготовку. Последнее является одной из причин выбора именно этого средства для построения моделей, ориентированных на использование лицами, принимающими решения (ЛПР), т.е. конечными пользователями.

Однако природно-промышленная система как часть административно-хозяйственного или природно-ресурсного образования имеет конкретную территориальную привязку, стандартные средства для учета которой не предусмотрены в СДМ. Наиболее полно набор средств для решения задач, связанных с обработкой рельефа местности, представления результатов расчетов, зависящих от координат, реализован в рамках геоинформационных систем (ГИС).

Таким образом, актуальной задачей, решаемой в данной работе, является разработка средств и методов интеграции системно-динамических и пространственно-распределенных моделей, что обеспечит создание имитационных моделей, позволяющих наиболее полно учитывать специфику природно-промьппленных систем.

Цель

Целью диссертационной работы является разработка технологии интеграции системно-

динамических моделей и геоинформационных моделей природно-промышленных систем.

Основные задачи исследования

1. Разработка формализованного описания компонентного состава ГИС моделей и СДМ;

2. Построение концептуальной модели интеграции системно-динамических и геоинформационных моделей природно-промышленных систем;

3. Разработка правил поддержания соответствия между элементами интегрируемых моделей;

4. Разработка инструментальной системы поддержки проектирования моделей природно-промышленных систем.

5. Создание моделей конкретных природно-промышленных систем

Используемые методы. Для решения поставленных в работе задач используются методы

системной динамики, элементы системного анализа и теории множеств.

Научной новизной обладают следующие результаты выполненной работы:

1. На основе известных методов концептуального проектирования предметной области разработаны формализованные описания компонентных составов ГИС моделей и СДМ, которые обеспечивают возможность автоматизации их совместного анализа и дальнейшей интеграции.

2. Построена концептуальная модель интеграции ГИС моделей и СДМ в единую геоинформационную системно-динамическую модель (ГИСДМ). Модель предназначена для создания системы поддержки принятия решений в области управления природно-промышленными системами.

3. Разработаны правила поддержания соответствия между элементами динамической (СДМ) и визуализирующей (ГИС) подсистем, которые обеспечивают контроль и коррекцию интерфейсных связей.

4. Предложены алгоритмы интеграции ГИС моделей и СДМ, предусматривающие различные способы представления исходных моделей и учитывающие требования к интегрированной модели природно-промышленной системы.

Положения, выносимые на защиту

1. Формализованное описание компонентного состава ГИС и СДМ, обобщающие состав и организационную структуру геоинформационных и системно-динамических моделей.

2. Концептуальная модель интеграции геоинформационных и системно-динамических моделей в единую ГИСДМ.

3. Правила поддержания соответствия между элементами имитационной (СДМ) и визуализирующей (ГИС) подсистем.

4. Алгоритмы интеграции ГИС и СДМ, позволяющие решать задачу автоматизированного синтеза единой геоинформационной динамической системы.

Практическая значимость

На основе результатов диссертации разработаны две системы имитационного моделирования для анализа и оценки динамических пространственно-распределенных процессов поведения лесных экосистем и процессов, развивающихся на гидротехнических сооружениях промышленного предприятия. Основу работы составляют результаты исследований, проводимых по планам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН, тема № 2119, государственная регистрация №01.2.003 03819.

Реализация и внедрение результатов

Исследования проводились в ИИММ КНЦ РАН в рамках следующих госбюджетных тем и хоздоговорных работ:

- тема 2119: информационные технологии ситуационного управления технологическими процессами и безопасностью в промышленно-природных комплексах, № гос. рег. 01.2.003 03819.2003-2005;

- расчет вероятного вреда при авариях на гидротехнических сооружениях ОАО "Апатит" Отчет о выполнении работ по договору № 2003/2401 от 01.01.2003 (заключительный). - Апатиты - Кировск: изд. ИИММ КНЦ РАН, 2003. -116 с.

Материалы диссертации нашли практическую реализацию при выполнении работ по гранту РФФИ №03-01-96142, тема «Исследование и разработка методов и средств интеграции математических моделей различных классов в комплексную имитационную модель динамики сложной природно-промышленной системы (на примере ОАО «Апатит»)»

Публикации и апробация работы

Основные положения работы докладывались на следующих конференциях:

1. III Международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск), 2002г;

2. У-я Всероссийская школа-семинар «Прикладные проблемы управления макросистемами». Апатиты, 2004г.

3. Всероссийская научная конференция «Теория и практика системной динамики». Апатиты, 2004г.

Доклады слушались на научных семинарах ИИММ КНЦ РАН. По теме работы опубликовано восемь печатных работ.

Результаты исследований используются в учебном процессе в Кольском филиале Петрозаводского государственного университета в курсе «Теория информационных систем».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (58 наименований), имеет общий объем 120 машинописных страниц, содержит 20 рисунков и 5 таблиц.

Содержание работы

Во «ведении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и методы исследования. Приводится краткое изложение содержания и основных результатов работы, а также положений, выносимых на защиту.

Первая глава посвящена обзору существующих методов и средств построения моделей пространственно распределенных динамических систем (ПРДС) и в частности природно-промышленных систем (ППС). В ней рассматриваются особенности коммерческих и свободно распространяемых пакетов программ, применяющихся для решения поставленной задачи, и обосновывается использование системно-динамических моделей совместно с геоинформационными системами (ГИС).

Концепция систем поддержки принятия решений (СППР) включает целый ряд средств, объединенных общей целью — способствовать принятию рациональных и эффективных управленческих решений. Один из вариантов работы системы принятия решений - предоставление лицу, принимающему решение (ЛПР) программных инструментов, позволяющих проанализировать результаты данного решения на модели. Особую роль здесь играет форма представления этих результатов, от чего во многом зависит то, какое будет принято решение. В частности, при решении многих вопросов в сфере ППС используются пространственно-зависимые характеристики, которые целесообразно представлять в виде соответствующих карт, схем и топологических планов.

Существуют коммерческие и бесплатные программные средства, которые включают в себя имитационные подсистемы и подсистемы представления результатов на электронной карте, и которые, в принципе, могут быть использованы в качестве СППР для определенного класса задач. Однако закрытость архитектуры и высокая стоимость коммерческих продуктов ограничивают их адаптируемость и широкое использование. С другой стороны, открытые программные продукты не обладают достаточной функциональностью для решения задач в среде ПРДС. Существует масса средств для построения имитационных моделей, в том числе обладающих мощным инструментарием визуализации результатов. Однако для работы с ними необходимо обладать навыками программиста, чего зачастую нельзя требовать от специалистов в областях, для которых строятся модели.

Для построения моделей пространственно распределенных динамических систем, ориентированных на применение неспециалистами в области программирования, предлагается использовать системы динамического моделирования (СДМ) и геоинформационные системы (ГИС).

Различные системы динамического моделирования предоставляют сходный диапазон средств построения как дискретных, так и непрерывных моделей с использованием методов системной динамики. Системная динамика - это методология, используемая для изучения и управления сложными, слабо изученными и слабоструктурированными системами с обратными связями и временными задержками. Примеры таких систем можно найти в социально-экономических и других областях жизнедеятельности человека.

Основные объекты СДМ: уровни, потоки и вспомогательные переменные. Уровнем является переменная состояния, которая отражает объект исследуемой реальной системы или его свойство. Поток описывает скорость изменения уровня во времени и может зависеть от сопредельных уровней напрямую или посредством обратных связей. Поток является функциональной частью модели, посредством которой реализуются взаимодействия между объектами-уровнями. Посредством информационных связей все переменные объединяются в диаграмму уровней и потоков. Исходные данные и результаты моделирования могут вводиться и выводиться с помощью графиков, таблиц, специальных элементов управления. Если рас-

сматривать задачи пространственного анализа динамических систем, то этих инструментов явно не достаточно.

ГИС, в зависимости от способа представления данных, подразделяют на растровые и векторные. Современные системы имеют богатый инструментарий для ввода, редактирования, конвертирования данных различных типов и форматов, а также проработанный аппарат пространственного анализа, мощь которого значительно усиливается с использованием внутреннего языка программирования или модулей расширения. С учетом последнего можно сказать, что на базе ГИС можно строить достаточно сложные проблемно-ориентированные, распределенные приложения для работы с пространственными данными. Однако создание в ГИС качественной имитационной подсистемы не является тривиальной задачей, так как требует значительных временных ресурсов и высокого уровня подготовки специалистов.

В работах ряда авторов на практических примерах описываются отдельные аспекты связи ГИС и системно- динамических моделей, но работ посвященных комплексному подходу к решению этого вопроса обнаружено не было.

Таким образом, интеграция СДМ м ГИС позволит конечным пользователям (лицам, принимающим решения) создавать наглядные, интерактивные динамические пространственно-распределенные модели ППС и проводить с их помощью имитационные эксперименты.

Во второй главе вводится формализованное представление компонентного состава ГИС и СДМ и на его основе строится модель интеграции ГИСДМ. Цель интеграции двух систем заключается в объединении их функциональных возможностей для построения интегрированных моделей ППС.

В рамках решаемой задачи ГИС рассматривается как совокупность структурно-функциональных средств для хранения, отображения и анализа пространственно зависимых данных.

СхемамоделисоставаГИСпредставляется следующим образом: üP^ =<Мар, L, R,Attr > , где

Map = {£.}, i = 1 ,п" - карта состоит из тематических слоев модели (покрытий);

- объекты покрытия - отношения между объектами (век-

торные - топологические и растровые - «соседи 8-ми связного пространства»);

- атрибуты - тип объекта, координаты, цвет, длинна, площадь, буферная зона, описательный атрибут, составной объект.

Модель ГИС - это многослойная карта Map. С точки зрения организации данных в ГИС, слой может быть либо растровым, либо векторным. Учитывая специфику моделируемой предметной области, т.е. особенности природно-промышленных систем, все слои карты разделяются на три непересекающихся множества Tt = {env, tech, atrb}. К первому типу (env) относятся слои, содержащие данные о природных объектах ППС - ландшафт, типы почв и т.д. Ко второму типу (tech) относиться слои, содержащие техногенные объекты ППС, функционирование которых контролируется человеком - технические сооружения, промышленные зоны и т.д. Третий тип слоя (atrb) предназначен для хранения данных о пространственно-распределенных процессах независимо от их природы, например - загрязнения, затопления, осадки и т.п. Управление в ППС в первую очередь отражается на техногенных процессах и объектах и со временем оказывает опосредованное влияние на природные процессы и объекты.

В современных объектно-ориентированных ГИС все объекты могут иметь сложный графический образ, состоящий из нескольких примитивов, и обладают индивидуальной внутренней функциональностью. Изображение слоя формируют объекты примитивы, определяемые следующими типами /(о) е {point, arc, polygon), и сложные объекты

VooeO(t(oo ) = сотр) => оо = {оДу =Лл .

Одним из важных условий формирования модели ГИС является корректное указание координат объектов ху(о), oeL. Электронная карта обычно представляет собой модель части реального пространства, объекты в котором можно обозначать как абсолютными, так и относительными координатами. В любом случае координаты объектов не должны выходить за границы карты.

По своей природе ГИС является статичной системой, и для отображения на ее элементах любых динамических изменений обычно используются не слои с исходными данными, а новые слои с результирующими данными или динамический слой if.

Функциональная часть модели в растровом виде представляется картографической алгеброй. Картографическая алгебра это набор элементарных правил, позволяющих получать слои с новыми данными. Новые данные извлекаются путем модификации имеющихся слоев или комбинации их друг с другом.

Обобщенная запись операций картографической алгебры для растровых слоев: L" =L'°L' => (Ус, j б L)(c,j = С;,8><,, с;, е V, с"и € L") где

° - оператор модификации, ctJ - атрибут ячейки растра с координатами (у)

В качестве оператора модификации может выступать любая арифметическая операция. Другим типичным случаем формирования слоя является пример, в котором оператор модификации действует не только на две соответствующие ячейки, но и соседние ячейки 8-ми связан-

I и 111 I т rrv w "l rv.j I n "пел •

L* =L"L' => (Vc,y 6 Ld)(cu = c'j e V, e L'), где

г, (с,t) = {c,„ Jtb}, a, b = {-1,0,1} - 8 - ми связанное пространство

Картографическая алгебра также позволяет использовать числовые функции и скалярные выражения для модификации существующих и генерации новых слоев.

Для векторных слоев t(L'), )= vect набор операций более широкий: - объединение

элементов карты пересечение

результатом которого для разных типов объектов могут служить любые элементы векторного множества примитивов; к векторным операциям также относятся - построение буферной зоны вокруг объекта, вычисление расстояния между объектами, определение принадлежности одного объекта другому и д.р.

Учитывая динамичность и сложность процессов, протекающих в ППС, нельзя сказать, что модель ГИС полностью описывает специфику элементов выбранной предметной области. Для учета этих характеристик выбраны системно-динамические модели.

СхемамоделиформализованногопредставлениякомпонентногосоставаСДМпредртвля-ется следующим образом:

^■U"' м=ю т

-иерархия подмоделей, Nm — количество подмоделей в проекте; 1 ' '-любая

U={o"}

системно-динамическая модель состоит из объектов; ' и связей между ними ^' ^, количество которых конечно / е 1 ..N^.

Связи между объектами носят различный характер и поэтому представляются типизированными бинарными отношениями: " out' - «информационная», «входной поток», «выходной поток»; Типы объектов Та = {level, var,const,sub) в модели разбивают все множество объектов на четыре попарно непересекающихся множества О = L\JVuCuJS: множество уровней L = {о!},t0(o\)= level, множество переменных V = {о*}, ta(о*) = var, множество констант и множество составных объектов - подмоделей B = {okl},tM)=sub.

Атрибуты объектов Аиг = {<> id,e,v,dim}

вид, имя, тип, значение, размерность. В каждой модели может существовать своя внутренняя система типов значений Ef = {е.}, которая отражает то, какого рода объекты реального мира используются в модели.

Современные системы динамического моделирования могут представлять модель в виде иерархическую совокупности менее крупных моделей m¡, которые могут быть связаны или нет между собой. Все объекты в модели, за исключением объекта типа sub, ничем не отличаются друг от друга, и только лишь типы t(o)eT0 предопределяют порядок их использования. Каждый элементарный объект задается своими атрибутами - значением v(o) и единицами измерения е(о), оеО. Объекты любого типа могут быть связаны друг с другом информационными связями (rt eR, tr {rt) = inf ), а объекты типа level дополнительно могут быть связаны «входными» (R^) и «выходными» (Ra,,/)потоками.

Связывание объектов происходит при строгом контроле соответствия единиц измерения (типов). Например, если в уровень оеО, t{o) = level имеет входной поток, атрибутированный переменной-темпом а е О, l(a) = var - то еттиниттът изменения в рамках данного потока должны соответствовать друг другу, т.е. е{а) = , где time - единицы модельного времени.

e(time)

Системно-динамическая модель может быть задана несколькими способами: (1) текст на языке подобном DYNAMO в виде набора выражений; (2) -графически, в виде ориентированного мультиграфа с весами и атрибутами; (3) в виде концептуальной модели предметной области. Поскольку третий способ не требует дополнительного анализа модели, то рассматривать его нет смысла. Два других способа могут быть представлены в виде SSDM, причем для удобства дальнейших преобразований связи можно представить в виде трех матриц: «информационные связи» г,(ОхО) = {íjj}, i,j

Vot 6 O,e 0((ok,om) € SkJII = 1; «потоки», r,(L xR) = {Su}

i = l.\L\,j = l..K = \F,\, Ft = {r¡ e Д | f, (r,) = wi vout) V/4 ei,V/„ e R, (lt e/J=>í4j. =1;

и вспомогательная матрица «темпы потоков» r}(FxV) = {S,j}, i = l..|F, \,j = \..\0, \

VfteRyvmeV,(vmefk)=>S^=l-

Среди объектов в моделях ш выделяются входные 10-{юк},к = \,К,К <Ы и выходные

00 = {оо,}, 1 = 1,Ь, 00^0,10^0. Оставаясь внутренними в модели, входные и

выходные объекты играют роль интерфейсов для импорта и экспорта соответственно. Подмодели соединяются только через интерфейсные объекты, все остальные объекты являются внутренними.

Таким образом, динамичность и сложность элементов ППС учитывается в моделях СДМ, однако данные модели в классической их реализации не имеют средств для оперирования пространственными данными.

В связи с тем, что рассмотренные модели лишь частично описывают специфику ППС, для создания полноценной модели природно-промышленной системы необходимо объединить возможности этих двух моделей.

Для построения интегрированных геоинформационных системно-динамических моделей формируется концептуальная модель интеграции ГИСДМ. В рамках ГИСДМ модели ГИС и СДМ представляются в удобном единообразном для пользователя-эксперта виде. Данная форма представления позволяет вносить изменения и дополнения в исходные моделей, проводить их анализ, вводить связующие отношения между их элементами и синтезировать спецификацию связи. Спецификация связи используется для построения программных систем, предназначенных для проведения имитационных экспериментов на базе исходных моделей. Исходными данными для формирования ГИСДМ служат модели системной динамики и геоинформационные модели, которые описывают одну предметную область и потенциально могут быть связаны между собой.

Схема концептуальной модели интеграции представляется следующим образом: ТЖЮЛ -<Шт, Ш„, RA, G. Map". Prf, К,Ор>^ где

км™>- концептуальная модель динамики, в которой отображаются объект и процессы предметной области. КМя- концептуальная модель размещения, которая описывает элементы карты, связываемые с объектами модели динамики, RA - модель назначения, отношения которой связывают элементы двух моделей.

Для обеспечения альтернативных возможностей соединения элементов интегрируемых моделей вводятся следующие компоненты: характеристики разбиения интегрированного пространства модели на отдельные ячейки, а также вспомогательные компоненты -Мар =№)>'="1>»1 - множество слоев ГИС, разбитых на ячейки решетками из G; "W)-'"1»«» -

множество моделей СДМ, объединенных решетками из G; У "- иерархия типов микромоделей, в которой отображаются характеристики интерфейсов системно-динамических моделей и возможность их связывания.

Функциональная часть модели учитывает альтернативные возможности объединения моделей и включается в себя операции связи микромоделей и участков пространства (prj° и шр") и отношения поэлементной связи иерархических структур Для связи моделей с

пространственно-распределенными объектами, имеющими составную регулярную структуру вводятся отношения операции: «)• «горизонтальная», «вертикальная» и «связь с

элементом ГИС-слоя». Например, объединение с помощью операции оо микромодели m с пространственным слоем U приведет к тому, что с каждой ячейкой разбиения слоя (gec) будет связана микромодель т: Для каждой ячейки из т созда-

ется своя микромодель, динамические процессы в которой будут отображаться на визуальные характеристики ячейки пространства. Другие две операции реализуют связи между самими микромоделями, что дает возможность строить более сложные системно-динамические модели из набора простых: (Эсе1',Ус-е е(е),3

(и^/В|'лситлс1«!Л|'лг(о,о')) ОИ®т' (связь микромоделей в рамках одного слоя) и

(связь микромоделей, принадлежащих различным динамическим слоям). Комбинации операций рассмотренных операций позволяют не просто создавать сложные модели, но и отображать результаты их работы на поверхности геоинформационных моделей.

Введенные структуры данных позволяют организовать процесс интеграции исходных системно-динамических и геоинформационных моделей следующим образом (Рис. 1). Алгоритм построения интегрированной модели определяется следующей последовательностью шагов: 1) переход к внутреннему представлению концептуальной модели интеграции ГИСДМ:

a) формирование концептуальной модели динамики - КМпо

b) формирование концептуальной модели размещения - КМрз наполнение модели назначения ИЛ переход к исходному представлению моделей

a) выбор на основании альтернатив в КМрз способа визуализации

b) составление на основании ИЛ спецификации связи

2) 3)

Рис. 1 Схема процесса интеграции системно-динамических и геоинформационных моделей

В отличие от существующих подходов синтеза программных спецификаций на основе концептуальных моделей, в данном случае по окончании формирования всех структур модели интеграции ГИСДМ формируется спецификация связи. Спецификация связи представляет собой список, содержащий связываемые объекты и их атрибуты.

Концептуальная модель динамики предметной области КМпо является частью модели ГИСДМ, которая предназначена для представления исследуемых объектов и процессов, а также связей между ними. Модель динамики предметной области формируется из модели системной динамики с помощью разработанных алгоритмов.

И

Модель динамики предметной области КМпо - это структура представленная в виде двух взаимосвязанных древовидных графов. Один граф представляет иерархию объектов или ресурсов исследуемой системы. Второй граф отражает структуру действий или процессов, имеющих место в исследуемой системе. Каждое действие интерпретируется как изменение ресурсов или их характеристик. Между ресурсами и действиями могут быть установлены отношения вход/выход. Таким образом, основу концептуальной модели динамики предметной области составляет следующий набор множеств:

КМпо={Р, О, Hp, Но, In, Out), где

P={pù - множество динамических действий (процессов); о={о,} - множество объектов динамической модели (примитивов), с которыми связаны действия (РпО = 0); НрсРхВ(Р) отношения иерархии действий; - отношение иерархии объектов; - от-

ношения «исходные объекты - действие»; - отношения «действие - зависимые

объекты». Для удобства использования введенные отношения приставляются в функциональном виде:

Отношения иерархии устанавливают соответствие между отдельными действия-

ми (объектами) и множествами подчиненных им действий (объектов). Иерархическим отношениям в качестве атрибута приписывается имя типа tp(p), t„(o) = {&, v, *}. Типы иерархических отношений отражают допустимые способы декомпозиции элементов множеств Р и О - «целое-часть», «альтернатива», «итерация». В качестве других атрибутов модели рассматриваются имена объектов и действий.

Для построения концептуальной модели динамики предметной области КМпо используются результаты формализации исходных моделей SSDM. Синтез структуры динамической модели представляет собой автоматизированное отображение множеств модели

SSDM=<Prj,0. E,R,T,Attr> на множества КМпо.

Иерархические уровни модели КМпо формируются на основании вложенности подмоделей в модель СДМ. В связи с этим преобразование производится для каждого уровня декомпозиции - срез модели по данному уровню декомпозиции. Сначала для всех примитивных объектов системно-динамической модели строятся соответствующие множеств объектов и процессов {level, var,coast) и F = {r,},t{r,)^{flow,>nf} _ Затем рассматриваются подмодели, для примитивных элементов которых строятся свои соответствующие множества объектов и процессов, но на уровень ниже.

Формирование множеств процессов и их отношений основывается на матрицы связей формализованного представления исходных моделей В виде процесса представляется связь любого типа - потоковая на вход и выход

или информационная

(Vr, е Г,tir, ) - mfXWn )'M & oul(r, ) = {о. } & rt = (o„ о. ) s Л, )

Концептуальная модель размещения КМрз - это вторая часть модели ГИСДМ, в которой представляются местоположения и объекты на карте (локации), которые являются носителями динамики, описанной в КМпо.

Каждый объект на карте, сложный или простой, имеет свои визуальные характеристики. Причем способов отображения этих характеристик несколько. Вид элемента любого уровня в модели КМрз зависит от определяющих его на нижнем уровне примитивов, каждый из которых имеет фиксированный набор выразительных средств. Более того, некоторые объекты

могут иметь альтернативные способы визуализации, что также указывается в концептуальной модели размещения. Набор альтернативных способов визуализации делает модель гибкой и удобной в использовании.

Схема концептуальной модели размещения предметной области представляется следующим образом: КМр3=Ц, Н,, Б)_

' ,где

гест]

L.

^^с _ множество мест размещения (локаций). Элементы множества лока-

ций делятся на четыре класса: _' - замкнутые зоны (tech) или ареалы (env), Lj - динамические элементы карты, L,- статические элементы карты, Lc - коммуникации (линии связи, каналы); в зависимости от уровня абстракции локации и их составные части представлены в

виде иерархии (отношение иерархии средств размещения). Поскольку в мо-

дели размещения присутствуют только некоторые части карты, то общие характеристики исходной формализованной модели ГИС охраняться в структуре S (масштаб, характеристики координатной сетки и др.). Не листовые элементы в иерархии имеют атрибут, описывающий

тип декомпозиции '' {^>v> ^где & («И») - связанное множество различных

локаций

(VI € KMp3t,, tt(I) = &)(3V = {/,}&(1,1') eHL &I = (J/,)

v («или») - альтернативные варианты размещения

(VI e KMp3tk, tk{L) = *)(3L',t{L') = rastr&(L,L') eHL&L = L')

* («итерация») - регулярная структура локаций

(VI е КМрз tk, tk (I) = v)(3I' = {i,} & (!,!') eHi&L = ll&ll eL').

Модель размещения КМрз формируется из геоинформационной модели

при поддержке эксперта, который выбирает необходимые с точки зрения моделируемой предметной области локации. Эксперт также доопределяет список географических атрибутов атрибутами предметной области, в частности относит выделенные элементы к классу природных или технических объектов. Экспертная классификация, а также топологические отношения ГИС позволяют сформировать иерархию, в которой объекты более высокого уровня абстракции (промышленная территория, заповедная зона, коммуникации и т.п.) будут представлены географическими примитивами на самом нижнем уровне

, О'={0,}, о, el (Vo, е O'XI" mL- ufe.'.to,)})

(точка, дуга, полигон, растровое поле):

Модель назначения RA является связующим звеном между концептуальной моделью динамики предметной области КМпо и концептуальной моделью размещения КМрз. В ней эксперт посредством описания отношений отражает взаимосвязь между объектами этих моделей. Поскольку связываемые модели имеют сложную иерархическую структуру, то для обеспечения целостности и непротиворечивости как всей модели интеграции (ГИСДМ) в целом, так и каждой ее части в отдельности, вводятся правила, гарантирующие поддержание соответствия между связываемыми элементами.

Схема модели назначения представляется следующим образом: и-М^,^ ,Л .А ,л (>гДе

отношение назначения динамических процессов динамическим локациям

отношение назначения динамических процессов подвижным локациям КМрз

отношение назначения объектов динамических моделей статическим локациям

КМрз.

Отношения А позволяют связать, с одной локацией модели КМрз один процесс или объект модели динамики КМпо: (, = 0^0,,)- назначение процессу р, локации размещения 1г. Для примитивов моделей помимо наличия связи указывается список атрибутов, по которым осуществляется связь (^„у«^4*ду »0&*,(о,)«0 =>«<»</,)-«очи,)- Если логически один объект на карте должен быть связан с несколькими объектами динамической модели, то эта проблема разрешается путем создания в иерархии КМрз дочернего уровня для данного объекта. Сам объект отмечается типом декомпозиции а все его подобъекты могут теперь могут

быть связаны без нарушения правила функциональности.

Для каждой локации размещения существует единственный процесс (или объект) в КМпо Входные объекты процесса принадлежат той же локации размещения что

и сам процесс

Одним из правил назначения объекту или процессу локации размещения является соблюдение отношения иерархии. Подпроцессу или подобъекту (подчиненным процессу или объекту) может быть поставлен в соответствие та же самая локация или локация более низкого уровня чем суперпроцессу или суперобъекту:

- транзитивное замыкание отношения иерархии относительно объекта

В третьей главе описываются способы построения имитационных моделей пространственно-распределенных динамических систем на основе модели интеграции ГИСДМ. Одним из важных вопросов является разработка условий и процедур, которые в зависимости от типа исходных моделей определяют возможность проведения их интеграцию на общем и ячеечном уровне.

Концептуальная модель размещения является избыточным описанием. Избыточность в модели возникает в связи с введением отношений классификации между зонами и областями на карте и их подэлементами, а также в связи с представлением в модели в виде иерархических уровней, что задает список альтернативных вариантов реализуемой системы. Таким образом, выбор фрагмента должен состоять в выборе подмножества модели, необходимого для реализации имитационных экспериментов с помощью выбранных системно-динамических моделей и их подмоделей. При выборе фрагмента могут опускаться как ветви типа «ИЛИ» в иерархических структурах локаций размещения, так и элементы промежуточных уровней иерархии.

В большей степени выбор производится для моделей пространственно-распределенных систем, так как имеется три способа реализации этих отношений (непрерывное, дискретное неупорядоченное, дискретное упорядоченное). В остальных случаях выбор предопределен, поскольку представляет собой элементарную связь между объектами.

В зависимости от модели СДМ могут возникать различные ситуации. Если модель представляет собой поведение ячейки (микромодель), то вариант реализации - растровая подложка, с каждым элементом которой связана эта модель.

Выбор варианта реализации основывается также на выбранных элементах модели КМрз. В зависимости от типов декомпозиции в дереве устанавливаются следующие атрибуты связи: (1) движение или без движения; (2) связь один к одному: цвет, координаты, размер; (3) пространственно-распределен: параметры сетки

Под вариантом реализации также понимается способ визуального отображения динамики объектов из модели КМпо. Количество способов зависит от функциональных возможностей ГИС; универсальными являются следующие:

-точечные: цвет, размер (площадь), графический символ (цифра, знак) и -растровые: ячейки и их цвет

Формирование спецификации связи является заключительным этапом работы пользователя-эксперта с моделью интеграции ГИСДМ. Главная задача, решаемая на данном этапе, является выбор варианта реализации связи. Этот выбор обусловлен тем, что визуализирующая система - ГИС-модель - предлагает несколько альтернативных способов отображения элемента модели динамики. Таким образом, в результате создается список, в котором указываются связываемые элементы, тип связи, ограничения, накладываемые на связь и способ визуализации.

Модель размещения КМрз построена с использованием нескольких типов декомпозиции («и», «или», «итерация»), что определяет различные возможности для реализации связи в конечной модели. Поэтому предварительно выбирается фрагмент модели БКМ, который удовлетворяет условиям модели интеграции ГИСДМ и требованиям пользователя-эксперта.

Для всех листовых элементов дерева альтернатив или других способов реализации, кроме прямого их включения во фрагмент модели не предусмотрено. Обычно это элементы-примитивы, при связи с которыми указываются непосредственные атрибуты и значения. Для элемента, имеющего тип декомпозиции «и», в фрагмент модели включаются все его подобъ-екты и связанные с ними объекты

Для элемента, имеющего тип декомпозиции «или», в фрагмент модели размещения включается один из списка альтернативных вариантов

Для элемента, имеющего тип декомпозиции «итерация», формируются дополнительные регулярные структуры, где учитывается количество дубликатов такой связи

Построенный фрагмент концептуальной модели размещения БКМрЗ не содержит альтернативных вариантов и связанный моделью ИЛ с концептуальной моделью динамики предметной области КМпо служит основой для построения спецификации связи. В результате обратных преобразований получаются модель системной динамики, геоинформационная модель и спецификация связи (Ипк^й), представленная в декларативном виде: ГИСДМ(КМпо,

Суть спецификации состоит в отражении всех установленных в модели ГИСДМ связей и их атрибутов и характеристик:

Ипк гес ::= СДМ. Кпк^Лд , ГИС.;1шк_о^, атрибуты

Для описываемых в этой работе процедур интеграции моделей ГИС и СДМ существует несколько вариантов начальных условий для успешного построения модели ГИСДМ, а затем спецификации связи для программной реализации.

Вариант № 1. Исходными данными являются целостные модели СДМ и карты ГИС. Структура связи не носит регулярный характер, сами связи формируются произвольным образом в соответствии с моделируемой предметной областью.

В этом случае сначала следует выделение в моделях интерфейсной части. Затем происходит инициализация функций связи интерфейсных переменных и их калибровка. Данный вариант интеграции позволяет связь объекты уже готовой модели СДМ с объектами выбранной карты ГИС или разработка для объектов ГИС моделей поведения в СДМ. В результате динамика

моделирования будет отображаться на карте с помощью изменения цвета, выделения буферных зон, и замены графических образов связанных отношениями объектов.

Вариант №2. Исходными данными являются карта ГИС и набор элементарных моделей СДМ, описывающих динамику, связанную с фиксированным участком пространства карты (элементарные модели). Структура связи носит регулярный характер, вследствие чего интеграция этих моделей может осуществляться более корректно.

Модели пространственно распределенных систем, построенные данным способом отличаются тем, что динамика визуализируется только цветовой индикацией, а сами элементы являются неподвижными. Элементарные модели могут разрабатываться разными группами экспертов независимо друг от друга, что говорит о гибкости и универсальности данного подхода.

Вариант №3. Исходные данные - КМпо. В случае если исходные модели заданы в виде иерархических концептуальных моделей предметной области, то считается, что модель ГИСДМ определена.

В четвертой главе на основе разработанного аппарата строятся модели двух динамических пространственно распределенных систем. Первая позволяет анализировать динамику развития лесной экосистемы с учетом различных социально-экономических и техногенных факторов. Вторая модель имитирует динамику функционирования гидротехнических сооружений ОАО «Апатит» в штатном и аварийном режиме.

Разрабатываемые системы имитации на основе моделей интеграции ГИС и СДМ должны предоставлять пользователю (неспециалисту в области программирования) следующие возможности:

о выделение на электронной карте областей и инициализация их собственной моделью

поведения с помощью языка потоковых диаграмм (PoweгSim, VenSim,...); о возможность использования в моделях поведения пространственных характеристик объектов и среды их обитания (функции ГИС); о поддержка управляемого имитационного процесса (пошаговая имитация, условия останова, и т.п.);

о двусторонняя синхронизация работы моделей и объектов на карте: возможность внесения изменений в любое время, как в структуры моделей поведения, так и в пространственные характеристики объектов; о сохранение, анализ и сравнение результатов моделирования

Модель лесных экосистем

Задача: по информации о текущем состоянии леса и косвенным характеристикам развития его отдельных индивидуумов (годовые кольца) провести ретроспективный анализ и прогноз развития лесной экосистемы.

Единая динамическая модель не способна отразить детально процессы в лесных экосистемах, поэтому для построения имитационной модели использовался второй вариант интеграции ГИС и СДМ, так как он наиболее соответствует условиям поставленной задачи. о Исходные данные: точечные результаты измерений годичных колец.

о Формируется биологическая микромодель развития одного участка лесной поверхности, где учитываются внутренние процессы (обмен энергией и жидкостью) и внешние процессы (связь с соседними ячейками, взаимодействие с почвой и атмосферой)

о Биологическая модель может быть дополнена другими составляющими и связями, также

имитирующими процессы данного ареала, о Карта исследуемой области покрывается регулярной сеткой. Исходя из начальных данных, выделяются однотипные области по таким статическим критериям как тип почвы, высота

над уровнем моря, удаленность от техногенных источников. С учетом каждого выделенного типа корректируется и инициализируется шаблон микромодели в каждой ячейке карты. Начальные параметры модели в каждой ячейке рассчитываются из исходных данных путем интерполяции.

о Модель запускается с заданным шагом. Целью является имитация развития экосистемы леса и прогнозирование его состояния через заданный интервал времени.

Внешние связи с соседними ячейками отражают обменные процессы, за счет которых энергия и материя распространяется в пространстве карты от ячейки к ячейке. Такому обмену подвержена вода, загрязняющие вещества, очаги возгорания.

Модель развития чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях (ГТС)

Разработана имитационная система для моделирования штатного функционирования ГТС и прогнозирования пространственно-временных характеристик зон аварийных зон при чрезвычайных обстоятельствах. В рамках данного приложения использовались оба интеграционных подхода. Штатная эксплуатация не требует детального рассмотрения происходящих на ГТС процессов и поэтому может быть представлена единой целостной моделью. Возникающая аварийная ситуация, в свою очередь, интересна не только масштабами последствий, но и детальным описанием ее развития во времени. Такое детальное описание позволить сформулировать порядок действий на случай возникновения подобной ситуации.

Моделирование штатной (доаварийной) эксплуатации ГТС (вариант интеграции №1):

1. Исходные данные. Модель функционирования ГТС: резервуар (пруд), входной поток, технические сооружения, фильтрация, испарения, осадки, таяния; вероятности ошибок человека, амортизация оборудования и т.п.

2. Поскольку данный процесс не имеет пространственной динамики, то результаты моделирования отображаются цветом и другими опознавательными знаками на карте: уровень воды, степень опасности, наиболее вероятные места аварии.

3. В момент возникновения аварии производится моделирование ее последствий. Описание аварийных ситуаций и их последствий могут быть взяты из отчетов специалистов ГТС (несколько проработанных сценариев) или промоделированы с помощью динамической микромодели развития аварии во времени.

Моделирование динамики аварийной ситуации как процесса развивающегося во времени и пространстве (вариант интеграции №2).

1. Исходные данные: карта высот и уровней ландшафта. Точность и подробность карты ландшафта влияет на точность результатов моделирования.

2. Карта покрывается регулярной сеткой. Для каждой ячейки предварительно рассчитываются уклоны и характеристики потоков: соседние ячейки-источники и ячейки-приемники, коэффициенты входящих и выходящих потоков. На основе методики расчета зон затопления при гидродинамических авариях составляется динамическая микромодель затапливаемого участка поверхности

3. Из списка вероятных зон возникновения аварии, составленного экспертами предприятия, выбирается наиболее вероятная чрезвычайная ситуация (размыв дамбы, повреждение трубопровода, опрокидывание земснаряда) и производится ее имитация.

Заключение

Разработанная технология позволяет создавать модели природно-промышленных систем на основе интеграции моделей системной динамики, имитирующих процессы, происходящие в ППС, и геоинформационных моделей, содержащих информацию о пространственных характеристиках объектов и процессов ППС. В рамках разработанной технологии специалисты различных областей могут независимо друг от друга разрабатывать динамические модели поведения отдельных объектов и подсистем ППС. Затем созданные модели связываются с единым геоинформационным пространством. Интегрированные модели могут создаваться конечными пользователями при помощи интуитивно понятных программных инструментов, таких как системы динамического моделирования (PoweгSim, VenSim) и геоинформационных систем (AгcView, ГИС ИнГео). Созданные таким образом системы моделирования и отдельные их компоненты могут использоваться как часть системы поддержки принятия решений и практических исследований динамики поведения объектов природно-промышленных систем в рамках решения задач анализа, оценки и прогноза развития различных ситуаций.

В работе получены следующие результаты:

о Разработаны формализованные описания компонентного состава ГИС моделей и СДМ, которые позволяют идентифицировать структурный и функциональный состав моделей обоих типов и провести анализ возможных способов их интеграции.

о Построена концептуальная модель интеграции системно динамических и геоинформационных моделей, с помощью которой можно создавать пространственные системно-динамические модели природно-промышленных систем. Эти модели обеспечивают реализацию имитационных экспериментов с целью получения обоснования производственных и управленческих решений в исследуемой природно-промьшшенной системе;

о Разработаны средства анализа и поддержки взаимного соответствия между элементами подсистем ГИСДМ, которые в интегрированной системе исполняют роль связующих элементов между объектами имитационной и визуализирующей подсистемами;

о Разработаны алгоритмы интеграции геоинформационных и системно-динамических моделей, которые позволяют на основе исходных данных о предметной области реализовывать альтернативные способы построения интегрированных моделей.

о На основе разработанных способов интеграции созданы системы имитационного моделирования для анализа и оценки процессов, происходящих в лесных экосистемах и на гидротехнических сооружениях промышленного предприятия.

Публикации по теме диссертации

1. Федоров А. М., Шишаев М.Г. Проблема удаленного доступа к картографическим (пространственным) данным. //Модели социальных, технологических и образовательных процессов. - Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2001. - С.90-93.

2. Федоров А. М. Один способ повышения качества получения и представления результатов динамического моделирования. Идея динамической "картомодели". //Математические методы описания и исследования сложных систем. - Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2001.- С.133-135.

3. Шишаев М.Г., Федоров А.М., Павлов А.А. Архитектурная концепция и опыт построения распределенной геоинформационной системы с выделенным сервером. //Информационные технологии в региональном развитии: прикладные аспекты и решения. - Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2002.-С. 11-13.

4. Федоров А. М. Интеграция ГИС и системы динамического моделирования для задач анализа, оценки и прогноза процессов. //III Международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики»/ Юж-Рос. гос. техн. ун-т. (ИПИ). - Новочеркасск: ООО НПО «ТЕМП», 2002. - Ч.З. - С.38-39.

5. Федоров А.М., Шишаев М.Г., Возможности построения динамических моделей территорий средствами современных ГИС. //Информационные технологии в региональном развитии.

- Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2003. - Вып.Ш. - С.26-29.

6. Федоров А. М. Интегрированная система имитационного моделирования пространственно распределенных объектов. //Управление безопасностью природно-промышленных систем.

- Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2003.- Вып. IV. - С.74-78

7. Федоров А. М. Принципы построения имитационных систем на основе ГИС-технологий и методов системной динамики. //У-я Всероссийская школа-семинар «Прикладные проблемы управления макросистемами». - Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2004. - С.54-57

8. Путилов В. А. Федоров А. М. "Разработка интегрированных системно-динамических моделей природно-промышленных систем". //Всероссийская научная конференция «Теория и практика системной динамики». - Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2004. - С160-168.

Автореферат

Федоров Андрей Михайлович

ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЦИИ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМНОЙ ДИНАМИКИ И ГИС

Технический редактор Каржавина СИ.

Лицензия ЛРИД №02969 от 16 октября 2000г. Подписано к печати 10.12.2004г.

Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1.2. Уч.-изд.л. 1.Усл.краско.-от. 1.2. Заказ №19 Тираж 100 экз. Бесплатно.

Издательство Петрозаводского государственного университета 185640, Петрозаводск, пр. Ленина, 33

Отпечатано подразделением оперативной полиграфии КФ ПетрГУ 184200, Апатиты, Мурманская область, ул. Космонавтов, 3

№24844

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СОЗДАНИЯ МОДЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ

1.1. Природно-промышленные системы

1.2. Применение технологий проектирования программного обеспечения в задачах интеграции имитационных моделей

1.3. Средства моделирования общего назначения

1.4. Средства моделирования специального назначения и примеры их применения

1.5. Актуальность интеграции моделей системно-динамических моделей и пространственно-распределенных данных

1.6 Выводы

2. КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ИНТЕГРАЦИИ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ

И СИСТЕМНО-ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

2.1. Формализованное описание компонентов интегрированной среды

2.2. Интегрированная геоинформационная система динамического моделирования S

2.3. Отношения элементов в интегрированной системе

2.4 Выводы

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ ГИСДМ

3.1. Варианты построения интегрированной модели ГИСДМ

3.2. Выбор варианта реализации модели ГИСДМ

3.3. Системно-динамические микромодели

3.4. Интеграция моделей на программном уровне

3.5 Выводы

4. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ ИНТЕГРАЦИИ

4.1. Программная система поддержки интеграции моделей системной динамики и моделей пространства

Актуальность проблемы связана с возрастанием требований к прогнозированию и анализу результатов реализации принимаемых решений в области управления природно-промышленными системами (111 1С). Функционирование и развитие ППС приводит к изменению как глобальной так и локальной экологической обстановки и определяет уровень безопасности эксплуатации подобных систем.

Под природно-промышленной системой понимается функциональная единица техносферы1, представляющая собой комплекс хозяйственных и промышленных объектов (промышленная среда), находящийся во взаимосвязи с окружающей природной средой. В этой системе имеет место обмен веществом, энергией и информацией, взаимное влияние и воздействие элементов. Компонентом, определяющим структуру ППС, как правило, является промышленный объект.

Основным методом изучения и прогнозирования поведения ППС служит моделирование. Рассматриваемые системы можно характеризовать как сложные пространственно-распределенные динамические системы с множественными внутренними и внешними связями - информационными и материальными потоками между объектами. Связанные природные и промышленные объекты могут представлять собой многоуровневую систему подобьектов, имеющих свои собственные атрибуты, реагирующие на входные и генерирующие выходные сигналы. Специфика ППС состоит в том, что в отличие от промышленных объектов, структура и поведение природных объектов непосредственно не зависят от управленческих воздействий лиц, принимающих решения. В связи с этим, модели, используемые для решения задач в сфере ППС, должные учитывать сложную структуру и особенности взаимосвязи рассмотренных подсистем.

Исходя из описанных свойств и специфики ППС, наиболее подходящими для ее моделирования являются методы системной динамики. Системно

1 Техносфера - видоизмененная человеком природная среда динамические модели (СДМ) широко используются в исследовательских и управленческих задачах. Применение таких методов в силу их естественности для человеческого образа мышления не требует от пользователя значительных затрат на дополнительную подготовку. Последнее является одной из причин выбора именно этого средства для построения моделей, ориентированных на использование лицами, принимающими решения (ЛПР), т.е. конечными пользователями [29].

Однако природно-промышленная система как часть административно-хозяйственного или природно-ресурсного образования имеет конкретную территориальную привязку, стандартные средства для учета которой не предусмотрены в СДМ. Наиболее полно набор средств для решения задач, связанных с обработкой рельефа местности, представления результатов расчетов, зависящих от координат, реализован в рамках геоинформационных систем (ГИС).

Таким образом, актуальной задачей, решаемой в данной работе, является разработка средств и методов интеграции системно-динамических и пространственно-распределенных моделей, что обеспечит создание имитационных моделей, позволяющих наиболее полно учитывать специфику природно-промышленных систем.

Цель

Целью диссертационной работы является разработка технологии интеграции системно-динамических моделей и геоинформационных моделей природно-промышленных систем.

Основные задачи исследования

1. Разработка формализованного описания компонентного состава ГИС моделей и СДМ;

2. Построение концептуальной модели интеграции системно-динамических и геоинформационных моделей природно-промышленных систем;

3. Разработка правил поддержания соответствия между элементами интегрируемых моделей;

4. Разработка инструментальной системы поддержки проектирования моделей природно-промышленных систем.

5. Создание моделей конкретных природно-промышленных систем

Используемые методы. Для решения поставленных в работе задач используются методы системной динамики, элементы системного анализа и теории множеств.

Научной новизной обладают следующие результаты выполненной работы:

1. На основе известных методов концептуального проектирования предметной области разработаны формализованные описания компонентных составов ГИС моделей и СДМ, которые обеспечивают возможность автоматизации их совместного анализа и дальнейшей интеграции.

2. Построена концептуальная модель интеграции ГИС моделей и СДМ в единую геоинформационную системно-динамическую модель (ГИСДМ). Модель предназначена для создания системы поддержки принятия решений в области управления природно-промышленными системами.

3. Разработаны правила поддержания соответствия между элементами динамической (СДМ) и визуализирующей (ГИС) подсистем, которые обеспечивают контроль и коррекцию интерфейсных связей.

4. Предложены алгоритмы интеграции ГИС моделей и СДМ, предусматривающие различные способы представления исходных моделей и учитывающие требования к интегрированной модели природно-промышленной системы.

Положения, выносимые на защиту

1. Формализованное описание компонентного состава ГИС и СДМ, обобщающие состав и организационную структуру геоинформационных и системно-динамических моделей.

2. Концептуальная модель интеграции геоинформационных и системно-динамических моделей в единую ГИСДМ.

3. Правила поддержания соответствия между элементами имитационной (СДМ) и визуализирующей (ГИС) подсистем.

4. Алгоритмы интеграции ГИС и СДМ, позволяющие решать задачу автоматизированного синтеза единой геоинформационной динамической системы. ti)

Практическая значимость

На основе результатов диссертации разработаны две системы имитационного моделирования для анализа и оценки динамических пространственно-распределенных процессов поведения лесных экосистем и процессов, развивающихся на гидротехнических сооружениях промышленного предприятия. Основу работы составляют результаты исследований, проводимых по планам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН, тема № 2318, государственная регистрация №01.200.2 09393.

Реализация и внедрение результатов

Исследования проводились в ИИММ КНЦ РАН в рамках следующих гос-*f< бюбжетных тем и хоздоговорных работ:

- тема 2119: информационные технологии ситуационного управления технологическими процессами и безопасностью в промышленно-природных комплексах, № гос. per. 01.2.003 03819. 2003-2005;

- расчет вероятного вреда при авариях на гидротехнических сооружениях ОАО "Апатит" Отчет о выполнении работ по договору № 2003/2401 от 01.01.2003 (заключительный). - Апатиты - Кировск: изд. ИИММ КНЦ РАН, 2003.-116 с.

Материалы диссертации нашли практическую реализацию при выполнении работ по гранту РФФИ №03-01-96142, тема «Исследование и разработка методов и средств интеграции математических моделей различных классов в комплексную имитационную модель динамики сложной природно-промышленной системы (на примере ОАО «Апатит»)»

Публикации и апробация работы

Основные положения работы докладывались на следующих конференциях:

1. III Международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск), 2002г;

2. V-я Всероссийская школат-семинар «Прикладные проблемы управления макросистемами». Апатиты, 2004г.

3. Всероссийская научная конференция «Теория и практика системной динамики». Апатиты, 2004г.

Доклады слушались на научных семинарах ИИММ КНЦ РАН. По теме работы опубликовано восемь печатных работ.

Результаты исследований используются в учебном процессе в Кольском филиале Петрозаводского государственного университета в курсе «Теория информационных систем».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка лите

4.3. Выводы

1. Метод системной динамики является эффективным средством задания поведения объектов сложных пространственно-распределенных систем.

2. Язык динамического моделирования Powersim позволяет быстро, удобно и наглядно реализовывать и исследовать разработанные динамические модели, а карта поверхности позволила эффективно отображать результаты моделирования.

3. Программная система, созданная для поддержания процесса интеграции моделей ГИС и СДМ оказались весьма эффективными в построении моделей гидротехнической системы в нормальном и аварийном режиме работы и лесной экосистемы в условиях влияющих на нее антропогенных воздействий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная методика позволяет создавать модели природно-промышленных систем на основе интеграции моделей системной динамики, описывающих процессы, происходящие в ППС, и геоинформационных моделей, содержащих информацию о пространственной протяженности объектов и процессов ППС. Универсальность подобных систем обоснована тем, что в их создании могут принимать участие группы специалистов из различных областей, которые на начальных этапах независимо друг от друга разрабатывают динамические модели поведения объектов ППС, а затем встраивают эти объекты в единое геоинформационное пространство. Интегрированные системы могут создаваться неспециалистами в области программирования при помощи интуитивно понятных программных инструментов, таких как системы динамического моделирования (PowerS im, VenSim) и геоинформационных систем (ArcView, ГИС ИнГео). Созданные, таким образом, системы и отдельные ее компоненты могут использоваться как часть системы поддержки принятия решений для практических исследований динамики поведения объектов природно-промышленных систем в рамках решения задач анализа, оценки и прогноза развития различных ситуаций.

В работе получены следующие результаты:

Разработаны формализованные описания компонентного состава моделей ГИС и СДМ, которые позволяют идентифицировать структурный и функциональный состав моделей обоих типов и провести анализ возможных способов их интеграции.

Построена концептуальная модель интеграции системно динамических и пространственно распределенных моделей систем, с помощью которой можно создавать пространственные системно-динамические модели природно-промышленных систем и на их базе организовывать имитационные эксперименты, результатами работы которых могут стать экологические и экономические обоснования производственных и управленческих решений в исследуемой природно-промышленной системе;

Разработаны средства поддержки взаимного соответствия между элементами подсистем ГИСДМ, которые в интегрированной системе исполняют роль связующих элементов между объектами имитационной и визуализирующей подсистемами;

Разработаны алгоритмы интеграции геоинформационных и системно-динамических моделей, которые позволяют на основе исходных данных о предметной области реализовывать альтернативные способы построения интегрированных моделей.

На основе разработанных способов интеграции создана программная система поддержки интеграции системно-динамических и пространственных моделей, с помощью которой получены имитационные системы моделирования для анализа и оценки процессов, происходящих во времени на гидротехнических сооружениях промышленного предприятия и в лесных экосистемах.

1. И РАЗВИТИЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В УКРАИНЕ г. Киев, Украина // http://gpss.ru/paper/ukraine/print.html

2. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./ Пер. с англ. -М.: «Издательство Бином», Спб.: «Невский Диалект», 2001г. 560 е., ил.

3. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./ Пер. с англ. -М.: «Издательство Бином», Спб.: «Невский Диалект», 2001г. 560 е., ил.

4. Вендров А. М. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. М.:Финансы и статистика, 1998.

5. Вендров А. М. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем: Учебник. М: Финансы и статистика, 2003. - 352 е.:ил. ISBN 5-279-02144-Х

6. Власов М.Ю., Горбачев В.Г. Геоинформационные системы. Центр системных исследований "Интегро", г.Уфа, www.integro.ru

7. Инструментальная система поддержки вычислительного эксперимента на основе древовидной модели предметной области / А.Г. Олейник, А.В. Смагин, А.Я. Фридман, О.В. Фридман // Программные продукты и системы, 1999, № 2. -С.7-13.

8. Казаков С.А., Шебеко Ю.А. Использование концептуальных паттернов впроектах разработки аналитических моделей бизнес-процессов. //Теория и практика системной динамики. Кольский НЦ РАН, г. Апатиты: 2004г. сс57-59

9. Казаков С.А., Шебеко Ю.А. Практикум по основам моделирования бизнес-процессов. М.:Тора-Инфо Центр, 2002. ISBN 5-9502-0068-3

10. Когаловский М.Р Стандарты XML и электронные библиотеки (аналитический обзор): http://www.elbib.ru/index.phtml?page=elbib/rus/methodology/xmlbase/review 2003г.

11. Кузнецов О.П., Андерсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера .- 2е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 480с.:ил. ISBN 5-283-01563-7

12. Кузьмин И.А., Путилов В.А., Фильчаков В.В. Распределенная обработка информации в научных исследованиях. Д.: Наука, 1991. 304с.

13. Ландсберг С. Е. Оптимизация проектирования информационных бизнес-систем на основе интеграции методов имитационного моделирования и CASE-технологий. автореферат дтн. Воронеж: 1998.

14. Малыгина С.Н. Метод синтеза сценарной динамической модели развития малого города севера России. // автореферат диссертации на соискание научной степени кандидата техн. наук. Апатиты. 2003

15. Мамедов Э., База Геоданных. «Дата+»: http://www.dataplus.ni/arcrev/numberI 9/3base.html

16. Маслович А., Шебеко Ю. Моделирование и анализ поведения бизнес-процессов (конспект лекций). М.:Тора-Инфо Центр, 2002

17. Олейник А.Г., Фридман А .Я., Ситуационное моделирование природно-технических комплексов / Информационные технологии и вычислительные системы, 2002, № 2. С.90-103.

18. Орфли Р., Харки Д., Эдварде Д. Основы CORBA. М.: МАЛИП. 1999, 318с.

19. Павловский Ю.Н. Имитационные модели и системы. М.:ФАЗИС:ВЦ РАН.2000.-134 с.

20. Питц-Моултис Н., Кирк Ч. XML :Пер. с англ. СПб.: БХВ-Петербург, 2000. - 736 с.:ил.

21. Попков Ю. С. Ресин В.И., Развитие больших городов в условиях переходной экономики (системный подход). М.: Эдиториал УРСС, 2000. -328с. ISBN 5-8360-0127-8

22. Путилов В. А. Федоров А. М. " Разработка интегрированных системно-динамических моделей природно-промышленных систем". //Всероссийская научная конференция «Теория и практика системной динамики». Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2004. - С103-105.

23. Путилов В.А., Горохов А.В., Олейник А.Г. Технология автоматизированной разработки динамических моделей для поддержки принятия решений // Информационные ресурсы России, 2004, №1. С.30-33.

24. Путилов В.А., Горохов А.В. Системная динамика регионального развития. Монография. Мурманск: НИЦ «Пазори», 2002. 306 е.; ил. ISBN 5-86975-062-8

25. Савин Г. И. Системное моделирование сложных процессов.-М.:ФАЗИС:ВЦ РАН,2000.-ХН+ 276с

26. Синтез моделей вычислительного эксперимента / Бржезовский А.В., Жаков В.И., Путилов В.А., Фильчаков В.В. Спб.: Наука, 1992. - 231 с.

27. Системная динамика. Статьи экспертов и сотрудников фирмы ТОРА-Центр. Источники\Системная динамика\Специалисты о C/^dynamo.htm

28. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: учебник для вузов 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 343с.; rfi.ISBN 5-06-003860-2

29. Фаулер М., Скотт К. UML в кратком изложении. Применение стандартного языка объектного моделирования: Пер. с англ. М.: Мир, 1999г.

30. Федоров А. М. Интегрированная система имитационного моделирования пространственно распределенных объектов. //Управление безопасностью природно-промышленных систем. Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2003.- Вып. IV. - С.74-78

31. Федоров А. М. Один способ повышения качества получения и представления результатов динамического моделирования. Идея динамическойкартомодели". //Математические методы описания и исследования сложныхсистем. Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2001.- С.133-135.

32. Федоров А. М. Принципы построения имитационных систем на основе ГИС-технологий и методов системной динамики. IN-я Всероссийская школа-семинар «Прикладные проблемы управления макросистемами». Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2004. - С.54-57

33. Федоров А. М., Шишаев М.Г. Проблема удаленного доступа к картографическим (пространственным) данным. //Модели социальных, технологических и образовательных процессов. Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2001. - С.90-93.

34. Федоров A.M., Шишаев М.Г., Возможности построения динамических моделей территорий средствами современных ГИС. //Информационные технологии в региональном развитии. Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2003. -Вып.Ш. - С.26-29.

35. Филькинштейн М. Я. ГИС-INTEGRO как инструмент геологических исследований. /Геонформатика №2 2002. ГУП «Информационный центр ВНИИгеосистем. с 14-20

36. Фильчаков В.В., Бржезовский А.В., Жаков В.И. Дегтярев А.В. Преобразования концептуальных моделей к спецификациям алгоритмов. //Вычислительный эксперимент в задачах прогнозирования (сборник научных трудов). Апатиты КНЦ РАН: 1994. С.79-98.

37. Фомин А. В. Спецификация и синтез программного обеспечения защищенных информационных систем на основе расширенных концептуальныхмоделей. автореферат диссертации на соискание научной степени кандидата технических наук. - Санкт-Петербург. 2003, 20с

38. Форрестер Дж. «Динамика развития города», Прогресс, 1974

39. Форрестер Дж. Мировая динамика. М.:Наука, 1978. - 168 с.

40. Фридман А.Я. Разработка интегрированной концептуальной модели природно-технических комплексов и методов ситуационного управления их структурой, автореферат дтн. Апатиты: Кф Петргу. 2001.

41. Хаксхольд В. Е. Введение в городские географические информационные системы. 1991, Изд. Оксфордского университета, Пер. с англ., Изд-во АГИТ. 1996, 325 с.

42. Что такое ГИС? «Дата+»: http://www.dataplus.ru/Industries/index.htm

43. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем. Искусство и наука. М.: Мир, 1978.-417 с.

44. Шикин Е.В., Боресков А. В., Компьютерная графика. Полигональные модели.-М: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000.-300с

45. Шишаев М.Г., Карпенко Р.С., Федоров A.M. Применение концепций HLA в распределенной системе динамического моделирования //"Информационные технологии в региональном развитии. Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2003, вып.Ш. - С.30-34

46. Юрков Н.К. Имитационное моделирование технологических систем: Учеб. пособие. Пенза: Пенз.политехн.ин-т, 1989. - 71 е.: ил. 10, таб. 1. библиогр. 15 назв.

47. Kirkwood Craig W. System Dynamics Methods: A Quick Introduction, 1998

48. Powersim 2.5 Reference Manual. Herndon, USA: Powersim Press, 1996.- 427p

49. Powersim for Windows http://www.dpsnet.com/powersim/powersim.htm

50. Van Deursen W.P.A. Geographical Information Systems and Dynamic Models. Ph.D. thesis, Utrecht University,-1995, NGS Publication 190, 198 pp. Electronically available through www.carthago.nl

51. Agent Based Modeling in AnyLogic. //AnyLogic XJ Technologies Company Ltd. http://www.xjtek.com

52. Dynamic spatial models and artificial worlds: a perspective on advances in GIS modeling into 21st century.// UGISA Conference. Индианаполис, США 1990. http://www.srnr.arizona.edu/people/facultypage/gimblettjpublichtml/indgis.html

53. Forester J. W. System Dynamics and the Lessons of 35 Years. In "The Systemic Basisi of Polici Making in the 1990s", edited by De Greene Kenyon B. -Massachusetts: Sloan Scool of Management MIT, 1991

54. Geographic Resources Analysis Support System. // http://grass.itc.it

55. Spatial Modeling Environment. // http://www.uvm.edu/giee/SME3/SME3.html

56. Spatial modeling environments: Integration of GIS and conceptual modeling frameworks. //4th International Conference on Integrating GIS and Environmental Modeling (GIS/EM4). Банф, Альберта, Канада 2000.

57. The Sage Grouse of Fort Yakima. // http://blizzard.gis.uiuc.edu

58. Using coupled models and GIS for understanding northern forest ecosystem dynamics. // http://fedwww.gsfc.nasa.gov/pub/kjrgis5.html

59. Van Deursen W.P.A., Geographical Information Systems and Dynamic Models. Ph.D. thesis, Utrecht University,-1995. // http://www.geog.uu.nl/pcraster/

60. Vensim. Modeling with Molecules. // Ventana Systems, Inc. http://www.vensim.com